Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai

Nghiên cứu về điều khiển quá trình nhằm nắm bắt được những vấn đề chủ yếu sau: Tìm hiểu, phân tích yêu cầu điều khiển của các quá trình công nghệ; Đặt bài toán điều khiển cho từng yêu cầ

NGUYỄN THỊ THANH THÚY

TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN – QUÁN TÍNH BẬC HAI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 6052 0216

Thái Nguyên – 2014

NGUYỄN THỊ THANH THÚY

TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƢỢNG TÍCH PHÂN – QUÁN TÍNH BẬC HAI

Chuyên ngành: Tự động hóa

Mã số: 6052 0216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2014

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển tự động trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất Điều khiển quá trình không phải lĩnh vực mới nhưng luôn chiếm hàng đầu trong

tự động hóa công nghiệp

Nghiên cứu về điều khiển quá trình nhằm nắm bắt được những vấn đề chủ yếu sau: Tìm hiểu, phân tích yêu cầu điều khiển của các quá trình công nghệ; Đặt bài toán điều khiển cho từng yêu cầu cụ thể; Thiết kế sách lược điều khiển phù hợp với yêu cầu và với mô hình quá trình; Chọn lựa giải pháp thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển

Nhằm nâng cao hơn nữa hiểu biết về điều khiển quá trình, tôi đã lựa chọn

đề tài: Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng tích phân - quán tính bậc hai

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc

ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp

ý của thầy PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô

Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Thúy

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Thanh Thúy

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thanh Thúy

MỤC LỤC

Trang bìa phụ

3 Kết quả thực nghiệm của luận văn 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH GIẢN ĐỒ

CÔNG NGHỆ CHO ĐỐI TƯỢNGTÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI 3

1.1.2 Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình 7 1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐKQT 10 1.2.1 Cấu trúc cơ bản của một HT ĐKQT 10 1.2.2 Các thành phần cơ bản của hệ điều khiển quá trình 11 1.3 Vai trò của bình mức chứa và cấp chất lỏng trong điều khiển quá trình 15

1.5 Dự kiến các kết quả đạt được 18

CHƯƠNG 2:MÔ TẢ TOÁN HỌCCHO ĐỐI TƯỢNG TÍCH PHÂN

2.2 Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển quá

trình

21 2.2.1 Cấu trúc một hệ điều khiển quá trình 21

3.3 Thiết kế điều khiển mức cho lò hơi 43

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ

PHỎNG MATLAB – SIMULINK VÀ THỰC NGHIỆM 46 4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai 46 4.2 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab –

4.3 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 47

4.3.1 Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm: 47 4.3.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm: 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CV Biến cần điều khiển

SP Giá trị đặt

MV Biến điều khiển

ĐKQT Điều khiển quá trình

HTĐKQT Hệ thống điều khiển quá trình

PID Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân

PLC/DCS Bộ điều khiển logic mờ/ Bộ điều khiển phân tán

CPU Khối xử lý trung tâm

12 Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồi 13

14 Hình 1.7: Mô hình tháp chƣng cất hai thành phần 16 Hình 1.8: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình 17 Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 21

22 Hình 2.3: Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp 23

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 25

25

ều khiển 27 Hình 2.7: Sơ đồ khối lò hơi nhà máy nhiệt điện 30 Hình 2.8: Đặc tính động của mức nước bao hơi khi thay đổi lưu lượng

Hình 2.9: Đặc tính động của mức nướcbao hơi theo lưu lượng nước cấp 33 Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 37 Hình 3.2: Minh hoạ tư tưởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu đối xứng 41 Hình 3.3: Minh hoạ tư tưởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu đối xứng 43 Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển đối tượng tích phân quán

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận văn

Các chi tiết cơ khí được hình thành sau khi qua các nguyên công thì cần thiết phải qua nhiệt luyện tăng bền bề mặt và mạ điện để bảo vệ bề mặt đồng thời tăng độ thẩm mỹ công nghiệp,…trong một dây chuyền mạ điện, dung dịch

mạ điện ngoài đảm bảo mức trong bể chứa còn duy trì nhiệt độ của dung dịch

Số lượng các bình chứa dung dịch trung gian được sử dụng rất nhiều

Như v

Là học viên cao học K14TĐH và đồng thời là cán bộ thuộc công ty TNHH Công nghệ COSMOS tại khu công nghiệp Khai Quang thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc: Chuyên sản xuất linh kiện xe máy (hiện tại đang phải thuê mạ điện bên ngoài), chủ trương sắp tới sẽ lắp đặt thêm dây chuyền mạ Tôi nhận thấy rằng, trong dây chuyền mới này có ứng dụng lý thuyết điều khiển quá trình trong nhiều công đoạn sản xuất Về mặt mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi

là mô tả toán học thì các bể mạ trong dây chuyền được gọi là các khâu tích phân quán tính bậc hai.Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng tích phân – quán tính bậc hai là bể dung dịch mạ ức và nhiệt độ dung dịch cho toàn bộ dây chuyền hoạt động đó là nội dung cấp thiết của đề tài

Chính từ yêu cầu phục vụ sản xuất của cơ quan, tôi đã lựa chọn đề

tài:”Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng tích phân - quán tính bậc hai”

2 Mục tiêu của nghiên cứu

- Từ cấu hình thực tế của một bể dung dịch trong dây chuyền, được mô hình hóa thành đối tượng tích phân - quán tính bậc hai, trên cơ sở đó lập được

cấu trúc điều khiển và mô phỏng bằng phần mềm Matlab – Simulink để kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết

- Tiến hành thí nghiệm trong miền thời gian thực trên mô hình điều khiển quá trình tại trung tâm thí nghiệm của trường

3 Kết quả thực nghiệm của luận văn

Nghiên cứu hệ thống điều khiển mức dung dịch trong bể mạ điện bằng lý thuyết và kiểm nghiệm bằng mô phỏng trong miền thời gian ảo là công việc trước đây của một luận văn cao học.Ngày nay, yêu cầu học đi đôi với hành, lý luận gắn với thực tiễn, luận văn cao học cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong miền thời gian thực.Đây là một yêu cầu mới về nâng cao chất lượng đào tạo của Nhà trường Việc áp dụng sáng tạo và linh hoạt các mô hình thí nghiệm sẵn có của Nhà trường vào công việc thực nghiệm của luận văn đã đạt kết quả tốt Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng nghiên cứu hệ thống điều khiển mức nước của bể mạ điện của đề tài này bằng lý thuyết và mô phỏng còn có khoảng cách so với thực tế và nhờ có thí nghiệm nên có cơ sở vững chắc để điều chỉnh lại thông số bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu của hệ thống

4 Nội dung của luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Giới thiệu về điều khiển quá trình và giản đồ công nghệ cho đối

tượng tích phân quán tính bậc hai;

Chương 2: Mô tả toán học cho đối tượng tích phân quán tính bậc hai;

Chương 3: Thiết kế điều khiểncho đối tượng tích phân quán tính bậc hai; Chương 4: Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho đối tượng tích phân

quán tính bậc hai

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

VÀ GIẢN ĐỒ CÔNG NGHỆ CHO ĐỐI TƯỢNG

TÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI

Ngày nay, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển tự động trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất Điều khiển quá trình không phải lĩnh vực mới nhưng luôn chiếm hàng đầu trong

tự động hóa công nghiệp

1.1 Giới thiệu chung

Điều khiển quá trình là sự thao tác những điều kiện của quá trình để làm xảy ra những thay đổi mong muốn trong những đặc tính đầu ra của quá trình

Trong thực tế thì điều khiển quá trình thường được xem như điều khiển

các thông số như: nhiệt độ (t 0 ), áp suất (P), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH), định lượng và thậm chí cả điều khiển phản ứng, Việc điều khiển các đại

lượng này thường gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có những đặc tính:

a Thời gian chết quá trình: Đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển quá trình và đáp ứng của tín hiệu Hiện tượng này luôn luôn không phân biệt dạng của tín hiệu được dùng Ngoài ra nó còn được biết đến như: trễ thuần tuý, trễ vận tải, hoặc trễ khoảng cách - vận tốc

b Trễ quá trình: Vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng lượng một cách liên tục Qua đó ta có trễ bậc một hoặc trễ bậc cao

c Hệ số khuyếch đại quá trình: Hệ số khuyếch đại của quá trình được xác định bằng tỷ số giữa sự thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi đầu vào

d Nhiễu quá trình: Là những sự thay đổi mong muốn xảy ra trong quá trình, nó có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển

Khi nghiên cứu điều khiển quá trình thì việc tổng hợp mạch vòng điều khiển thường gặp khó khăn vì:

1.1.1 Các khái niệm cơ bản

- Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong

đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

(IEC60050-351[1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [4])

- Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận hành

hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng - tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi - turbin

- Quá trình kỹ thuậtlà một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo

hoặc/và được can thiệp Khi nói tới quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng các phương tiện

, nếu không nhấn m

cảnh sử dụng

-

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến

quá trình Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được

minh hoạ trên hình 1.1 Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản

ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt

độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng mở của rơle, sợi đốt, Một biến ra là một

đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao Nhìn từ quan điểm của lý thuyết hệ thống, các biến vào thể

- ) Bên

cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái Các

biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ

lò, áp suất

, vừa có thể

coi là một biến ra

Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ

Hình 1.1:Quá loại trình và phân biến quá trình

thuật đối với con người và môi trường xung quanh Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong

hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

Biến cần điều khiển (controller variable, CV

(set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến cần điều khiển

liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể đo, ghi chép hoặc hiển thị

Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình

có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất

Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc

trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình(disturbance) và nhiễu đo (noise) Nhiễu

quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai

số trong quá trình đo được

/ra công nghệ và đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu

ra của một quá trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình

1.1.2 Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển

cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hoá các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và xắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:

ảm bảo chất lƣợng sản phẩm: Giá trị đại lƣợng cần điều khiển càng gần với giá trị đặt càng tốt

Chất lƣợng sản phẩm đƣợc đánh giá thông qua một số chỉ tiêu chất lƣợng + Đáp ứng với thay đổi giá trị đặt (đáp ứng quá độ)

+ Đáp ứng với tác động của nhiễu (đáp ứng loại nhiễu)

( )

1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐKQT

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của một HT ĐKQT

Tuỳ theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hoá, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều

Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều

khiển quá trình

khiển Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng đƣợc thể hiện một cách trực quan với sơ đồ trên hình 1.2 và trên hình 1.3 là cấu trúc điều khiển phản hồi của một vòng trong điều khiển quá trình Theo hình 1.3 sẽ bao gồm các phần chính nhƣ sau:

1.2.2 Các thành phần cơ bản của hệ điều khiển quá trình

a Thiết bị đo

Chức năng của thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lƣợng đo (hình 1.4) Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là

cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (transducer) Một cảm biến thực hiện chức

năng tự động cảm nhận đại lƣợng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu Để có thể truyền xa và sử dụng đƣợc trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần đƣợc khuếch đại, điều hoà và

Hình 1.3: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình

Hình 1.4:

chuyển đổi sang một dạng thích hợp Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter)

là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn ( -

quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng

gần đây cho thấy việ

transmitter“ hoặc “transducer” đôi khi cũng được

dùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”

b Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển

(controller) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần

cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Mặc dù các thuật ngữ “thiết bị điều khiển” và “bộ điều khiển” trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương đồng,

ở đây ta cũng cần làm rõ

PID PLC/DCS) hoặc

PLC/DCS) Trong phạm vi chương trình, khi nói về giải pháp hệ thống thì “thiết

bị điều khiển” và “bộ điều khiển” được hiểu với nghĩa tương đương, còn khi đề cập tới các vấn đề thuộc sách lược điều khiển hay thuật toán điều khiển ta sẽ chỉ

sử dụng “bộ điều khiển”

Trên cơ sở sử dụng các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa

ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển

tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller), hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơle ( - )

là

, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các phần chuyển đổi tương tự-số cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc

Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, ) đều

là các hệ điều khiển số Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển Vì vậy khi

ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hàm khối xử lý trung tâm (CPU),

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồi

khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch Còn các khái niệm

thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và module chức năng khác

c Thiết bị chấp hành

Một hệ thống thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật Ví dụ, tuỳ theo tín hiệu điều

, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng

Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ

cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator)và phần tử điều khiển(control

element

lượng ( ), tron

Hình 1.6:

1.3 Vai trò của bình mức chứa và cấp chất lỏng trong điều khiển quá trình

Xét một ví dụ nhƣ mô hình tháp chƣng cất hai thành phần nhƣ hình 1.7 Nguyên liệu đƣa vào tháp (F) là một hỗn hợp hai thành phần (ví dụ: tách riêng Toluen và Benzen) Sản phẩm thu đƣợc từ đáy sẽ gồm thành phần khó bay hơi (Toluen) và sản phẩm thu đƣợc từ đỉnh sẽ là thành phần dễ bay hơi (Benzen) Nguyên liệu đầu vào chỉ coi có hai thành phần: Cấu tử Toluen và cấu tử Benzen

Hình 1.7: Mô hình tháp chưng cất hai thành phần

có phần mol là 0,5 Dung dịch đáy tháp dược đun bốc hơi bằng hơi nước bão hòa Phần hơi bốc lên đỉnh tháp được ngưng tụ bằng nước làm lạnh và đưa xuống bình chứa Cơ chế hồi lưu làm cho sản phẩm đỉnh được tinh khiết hơn Mục tiêu của tháp chưng cất là thu được sản phẩm đỉnh đạt 99% Benzen (tương đương số mol của nó là 0,99), sản phẩm đáy chỉ còn 1% Benzen (tương đương số mol của nó là 0,01)

Nhìn vào hệ thống chưng cất trên hình 1.7, ta thấy số lượng bình mức chứa và chất lỏng được sử dụng là 7, qua đó đủ thấy ứng dụng của bình mức chứa và cấp chất lỏng được sử dụng trong điều khiển quá trình là rất lớn

Mô hình tối giản của một bình chứa và cấp chất lỏng có thể được mô tả như sau:

Sơ đồ công nghệ

), dòng vào có lưu

lượng thể tích là F 0 (m 3 /s) ρ 0, dòng ra có lưu lượng thể tích là

F(m 3 /s) ρ giống như trong bình Van cung cấp nước cho bình

được sử dụng laoị đóng mở bằng nam châm điện từ Từ đây có thể xác định được biến quá trình như hình 1.8b

Hình 1.8: Bình chứa chất lỏng và các biến quátrình

Bình chứa

Biến vào Nhiễu F Biến ra

Biến cần điều khiển h

Biến điều khiển F 0

b Sơ đồ khối

a Sơ đồ công nghệ SP

h

F

CH

F 0

1.4 Mục tiêu của nghiên cứu:

Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng tích phân – quán tính bậc hai có cấ

trình công nghệ tiếp theo

1.5 Dự kiến các kết quả đạt được

Lập cấu trúc điều khiển cho đối tượng tích phân - quán tính bậc hait, mô phỏng bằng phần mềm Matlab – Simulink để kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết

Tiến hành thí nghiệm trong miền thời gian thực trên mô hình điều khiển quá trình tại trung tâm thí nghiệm của trường

1.6 Kết luận chương 1

Trên cơ sở cấu trúc tổng quát của một hệ thống điều khiển quá trình, luận văn đề suất đi sâu nghiên cứu một đối tượng tích phân quán tính bậc nhất, đó là một bình mức chứa và cấp chất lỏng kèm theo thiết bị thao tác điều tiết lưu lượng dòng chảy F0 Giản đồ công nghệ này đã tìm thấy sự ứng dụng trong nhiều thiết bị công nghiệp, nhất là trong công nghiệp hóa chất

CHƯƠNG 2

MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG TÍCH PHÂN QUÁN TÍNH BẬC HAI

2.1 Khái quát chung

Mô hìnhlà một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích

sử dụng Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực Mô hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa giải pháp vào triển khai

Có thể phân loại thành hai phạm trù là mô hình vật lý và mô hình trừu tượng Mô hình vật lý là một sự thu nhỏ và đơn giản hoá của hệ thống thực, được xây dựng trên cơ sở vật lý - hoá học giống như các quá trình và thiết bị thực

- Mô hình vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và

nghiên cứu ứng dụng, nhưng ít phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển của người kỹ sư điều khiển quá trình

- Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao,

nhằm mô tả một cách logic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống Việc xây dựng mô hình trừu tượng của một hệ thống được gọi là

mô hình hoá Mô hình hoá là một quá trình trừu tượng hoá trong đó thế giới thực được mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hoá và bỏ qua các chi tiết không thiết yếu Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trước hết tới bốn dạng mô hình trừu tượng sau:

* Mô hình đồ hoạ: Với các ngôn ngữ mô hình hoá đồ họa như lưu đồ công

nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic, Mô hình đồ hoạ phù

hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần

* Mô hình toán học: Với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân

(khả năng biểu diễn mạnh, với mô hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích thiết kế hệ thống), phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái (áp dụng thống nhất cho phân tích, thiết kế hệ đơn biến và đa biến, khó tiến hành nhận dạng trực tiếp, nhạy cảm với sai lệch thông số, ít dùng cho điều khiển quá trình) Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác

* Mô hình suy luận: Là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ

thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao

* Mô hình máy tính: Là các chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của

hệ thống theo những khía cạnh quan tâm Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận

Mô hình toán học, mô hình suy luận và mô hình máy tính được xếp vào phạm trù mô hình định lượng, trong khi mô hình đồ hoạ thuộc phạm trù mô hình định tính Mô hình định tính thường quan tâm tới cấu trúc và mối liên quan giữa các thành phần hệ thống về mặt định tính Trong khi đó một mô hình định lượng cho phép thực thi các phép tính để xác định rõ hơn quan hệ về mặt định lượng giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống cũng như quan hệ tương tác giữa hệ thống với môi trường bên ngoài

Mặc dù cả bốn dạng mô hình nói trên đều có vai trò quan trọng nhất định trong lĩnh vực điều khiển quá trình, các mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống Trong các bước thực hiện nhiệm vụ phát triển, mô hình toán học giúp các cán bộ công nghệ cũng như cán bộ điều khiển cho các mục đích sau đây:

- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành

- Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống

- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển

- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển

- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế

- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành

Xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình là một việc hết sức cần thiết, bởi mục đích sử dụng quyết định tới việc lựa chọn phương pháp mô hình hoá

2.2 Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển quá trình

2.2.1 Cấu trúc một hệ điều khiển quá trình

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình 2.1:

2.2.2.Thiết bị đo

a Cấu trúc cơ bản:

Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình được minh hoạ như trên hình 2.2

Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình

Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến Một cảm biến có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý, ví dụ nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, nồng độ sang một tín hiệu thông thường là điện hoặc khí nén Một cảm biến có thể bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại

là một bộ chuyển đổi từ một đại lượng này sang một đại lượng khác dễ xử lý hơn Tín hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, chưa truyền được xa, chứa sai số do chịu ảnh hưởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại lượng đo Vì thế sau phần tử cảm biến người ta cần các khâu khuếch đại chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hoá Những chức năng đó được thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn Một bộ chuyển đo đổi chuẩn đóng vai trò là một khâu điều hoà tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ một cảm biến và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn để có thể truyền xa và thích hợp với đầu vào của bộ điều khiển Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn được tích hợp luôn cả phần tử cảm biến, vì vậy khái niệm 'Trasmitter' cũng được dùng để chỉ các thiết bị đo

Thuật ngữ:

Measurement device: Thiết bị đo

Sensor: Cảm biến

Sensor element: Phần tử cảm biến, đầu đo

Signal conditioning: Điều hoà tín hiệu

Hình 2.2:

Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn

Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng

Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào nhiều yếu

năng đo chi tiết vận hành và tác động môi trường Đặc tính tĩnh biểu diễn quan

hệ giữa đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thái xác lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào

và tín hiệu ra theo thời gian Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác khi giá trị của đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm Ngược lại, đặc tính động học liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh

Hình 2.3: Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp

Lưu lượng kế Thiết bị đo áp suất

tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể được mô tả được mô tả bằng một phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai Coi đặc tính của thiết bị đo là tuyến tính coi động học của nó có thể được biểu diễn với một khâu quán tính bậc nhất:

m m

k y( s )

+ Đưa mô hình động học của thiết bị đo vào mô hình quá trình

+ Vẫn chỉ sử dụng mô hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra là nhiễu đo

2.2.3 Thiết bị chấp hành

, van on/off